Физика плазмы презентация

Πλάσμα

Πλάσμα

Πλάσμα

Πλάσμα

Πλάσμα

πλάσμα
Четвертое состояние вещества
≪Эти явления настолько непохожи на происходящее в воздухе или газе при обычном давлении, что мы вынуждены предположить, что здесь мы оказались лицом к лицу с веществом в Четвертом Состоянии, в состоянии столь же далеком от газового состояния, как газ от жидкости.
Изучая это Четвертое Состояние вещества, мы, кажется, наконец, ухватили и подчинили своему контролю маленькие неделимые частички, которые, как можно предположить с большой уверенностью, составляют физическую основу Вселенной ... Мы действительно соприкоснулись с гранью, где Вещество и Сила как бы проникают друг в друга, с призрачным царством между Известным и Неизвестным, к которому меня всегда особенно тянуло. Я осмелюсь думать, что величайшие научные проблемы будущего найдут свое решение в этой Пограничной Стране, и даже за ней; там, кажется мне, лежит Высшая Истина, нежная, глубокая, удивительная≫
(Уильям Крукс, 1879г.)

У
πλάσμα
Четвертое состояние вещества
Sir William Crookes (1832-1919)
У физики было не так много пророков, но сэр Уильям Крукс заслуживает того, чтобы считаться одним из них. Всю свою жизнь он проработал с ≪вакуумными≫ трубками, фокусируя таинственные лучи на светящиеся под их ударами минералы, раскручивая слюдяные ≪гребные колесики≫этими лучами, пытаясь определить их характеристики задолго до того, как были открыты, в нынешнем смысле слова, электроны или ионы, задолго до того, как стали думать о том, чтобы хотя бы применить к его опытам представления о подвижности, диффузии, прилипании или рекомбинации.

Πλάσμα

Πλάσμα
Как важно найти правильное слово!
Дело было в Америке, ее открыл Христофор Ко-
лумб (Christóbal Colón), а назвал Америго
Веспуччи (Amérigo Vespucci).
Из воспоминаний доктора Тонкса:
«Однажды Ленгмюр зашел в мою комнату в исследовательской лаборатории “General Electric” и сказал: “Слушайте, Тонкс, я
ищу слово. В этих газовых разрядах мы называем область непосредственно вблизи стенки или электрода слоями, и это
видимому, подходит; но как назвать основную часть разряда?… Там полная нейтрализация пространственного разряда. Не хочется изобретать слово, но оно должно описывать эту область, как отличающуюся от слоев. Что бы Вы предложили?”
Мой ответ был классическим: “Надо по-думать, д-р Ленгмюр”».
На следующий день Ленгмюр влетел и объявил: «я знаю, как это назвать! Мы назовем это – плазма».

Πλάσμα

Литература
Плазма в космосе
NASA, ISAS, http://www.spacescience.org/
http://sec.gsfc.nasa.gov/
В состоянии плазмы находится подавляющая часть видимого вещества Вселенной — звёзды, звёздные атмосферы, туманности галактические и межзвёздная среда. Около Земли плазма. существует в космосе в виде солнечного ветра, заполняет магнитосферу Земли (образуя радиационные пояса Земли) и ионосферу.
πλάσμα

В молнии Т ~ 2 х 104 К, n~ 2,5 1019 (число электронов или ионов в см3) (плотность воздуха)
Такую плазму называют слабонеидеальной.
πλάσμα

Литература
Процессами в околоземной плазме обусловлены магнитные бури и полярные сияния.
πλάσμα

Литература
πλάσμα
Плазма в космосе
NASA, ISAS, http://www.spacescience.org/
http://sec.gsfc.nasa.gov/

Плазма=квазинейтральный газ заряженных частиц
πλάσμα
Плазма (от греч. πλάσμα — вылепленное, оформленное), частично или полностью ионизованный газ, в котором плотности положительных и отрицательных зарядов практически одинаковы.
Термин «плазма» в физике был введён в 1923 американскими учёными И. Ленгмюром и Л. Тонксом, проводившими зондовые измерения параметров низкотемпературной газоразрядной плазмы.

кристалл
Жидкость
Газ Плазма
Газ
плазма
плазма
термояд.
плазма
0.01 эВ
1 эВ
10 эВ
100 кэВ
плавление
испарение
ионизация
Кулоновский барьер
Ядерный барьер
10 МэВ
Энергия фазового перехода
Что такое плазма?
Плазма=квазинейтральный газ заряженных частиц
При достаточно сильном нагревании любое вещество испаряется, превращаясь в газ. Если увеличивать температуру и дальше, резко усилится процесс термической ионизации, т. е. молекулы газа начнут распадаться на составляющие их атомы, которые затем превращаются в ионы. Ионизация газа, кроме того, может быть вызвана его взаимодействием с электромагнитным излучением (фотоионизация) или бомбардировкой газа заряженными частицами.

Единица 1 эВ
- +
U=1В
mV2
2
eU=
kT
eU[Дж]
kT[Дж]
[эВ]
T[эВ]
1эв=1,6*10-19 Дж
1эв~10604,5 0K
1эв= 8065,48 см-1

Плазма=квазинейтральный газ заряженных частиц
*кулоновское взаимодействие
*тепловое движение
*коллективные эффекты (согласованное движение частиц под действием различных полей и сил)

Классическая и вырожденная плазма.
Классическая и вырожденная плазма.
:
Плотность:
Температура:
«Квантовый» масштаб-
длина волны Де-Бройля
«Плазменный» масштаб-
расстояние между частицами
Классическая плазма:

Литература
Классическая и вырожденная плазма.

Литература
Идеальная и неидеальная плазма.
Идеальная и неидеальная плазма.
Плазменные электроны
- например Ферми-газ
Идеальная неидеальная плазма.

1 106 1010 1016 1020 1026
n,см-3
классическая
вырожденная
1
100
0.01
104
идеальная
идеальная
неидеальная
неидеальная
высокотемпературная
низкотемпературная
-
T-n диаграмма
Tе, эВ

T – n диаграмма
1 106 1010 1016 1020 1026
n,см-3
классическая
вырожденная
1
100
0.01
104
идеальная
Tе, эВ
неидеальная
идеальная
неидеальная

T, n параметры различных плазм

Критерии плазменного состояния:
Наличие свободных заряженных частиц.
Квазинейтральность.
Характерный размер плазменного объема
больше характерного размера на котором
возможно разделение зарядов.
Плазма-квазинейтральна
На каком масштабе
сохраняется
квазинейнтральность
плазмы?
Е=0
α=ne/no>0
ne≈ ni
Lpl >lδq

Литература
Дебаевская экранировка
На каком масштабе сохраняется квазинейтральность плазмы?
Е
l
Дебаевский
радиус

Литература
Плазменные колебания
Дебаевский радиус есть пространственный масштаб ,
на котором возможно спонтанное разделение зарядов
Временной масштаб:
l
Е
сила
За это время прилетят электроны и сравняют флуктуацию плотности зарядов

Литература
Плазменные колебания
Макроскопическое отклонение от квазинейтральности
ведет к появлению электрического поля.
Для плоского слоя плазмы:
-смещение электронов
Плазменная частота
Ленгмюровские колебания

Литература
Уравнение
Пуассона
Дебаевская экранировка
Дебаевская экранировка

Дебаевская экранировка
Дебаевский (красная линия) и кулоновский (зеленая линия) потенциал.
0
1
2
3
1
2
3

Следствие дебаевской экранировки
Электростатическое поле проникает в плазму не глубже rD
Электрическое поле отдельной частицы в плазме «экранируется» частицами противоположного знака, т. е. практически исчезает, на расстояниях порядка rD от частицы. Величина rD определяет и глубину проникновения внешнего электростатического поля в плазму (экранировка этого поля также вызывается появлением в плазме компенсирующих полей пространственных зарядов). Квазинейтральность может нарушаться вблизи поверхности плазмы, где более быстрые электроны вылетают по инерции за счёт теплового движения на длину ~ rD.

Литература
Дебаевская экранировка
Электроны, вылетая по инерции из плазмы, нарушают квазинейтральность на длине порядка дебаевского радиуса экранирования rD и повышают потенциал плазмы (ni, и ne — соответственно, плотности ионов и электронов).

Дебаевская экранировка
Число частиц в дебаевской сфере:

Литература
Параметр неидеальности

Параметр неидеальности